在生物化學應用中，對細胞或顆粒進行無鞘流聚焦和分選是一個重要的預處理步驟。以往的分選方法大多依賴于使用鞘流來實現高效的細胞聚焦。然而，鞘流的引入會稀釋并降低生物顆粒的活性，并需要通過額外的通道進行精確的流量控制，于系統的搭建成本和復雜性不利。因此，如何實現無鞘流聚焦和分選一直是該領域需要解決的問題。

近期，西北工業大學吳玉潘副教授、王少熙教授課題組報道了一種新型方法：通過基于雙極性電極（BPE）的感應電荷電滲（ICEO）流和介電泳（DEP）力以及聲輻射力的協同作用，實現了對顆粒和細胞的無鞘流聚焦、偏移和分選。相關成果以“Bipolar Electrode-based Sheath-Less Focusing and Continuous AcousticSorting of Particles and Cells in an Integrated Microfluidic Device”為題發表在國際化學權威雜志Analytical Chemistry上。

基于以上方法，研究人員開發了一種簡單低成本的集成式微流控芯片，其中包括細胞與顆粒的電場聚焦偏移與聲場分選兩個模塊，分別稱為模塊I與模塊II。如圖1所示，可以看到，該集成式微流控芯片結構簡單，包括一個用于樣品注射的入口和兩個用于分選和收集目標顆粒的出口。模塊I中有兩個BPE，分別為BPE i和BPE ii。其中BPE i始終處于懸浮態，用于預聚焦顆粒或細胞；而BPE ii提供了與外電路的接口，可通電變為激發態，用于偏移經BPE i聚焦后形成的粒子束。而模塊II具有傾斜的叉指換能器（IDT），由于逆壓電效應，在通道中形成了taSSAW，多條壓力波節線連續捕獲受到聲場作用力更大的顆粒，用于分選目標顆粒。

圖1 （a）用于顆粒聚焦與分選的集成式微流控芯片工作原理示意圖；（b）BPE上的ICEO原理；（c）SSAW聲場形成原理。其中，AN為壓力波腹，PN為壓力波節。

該集成微流控芯片的3D示意圖、實物圖以及加電方式如圖2所示。

圖2 用于顆粒電場聚焦與聲場分選的集成式微流控芯片示意圖：（a）集成式聚焦分選微流控芯片的3D示意圖；（b）集成式聚焦分選微流控芯片實物圖；（c）圖（b）中紅色虛線區域I的顯微圖，即電場聚焦模塊的通道以及電極（指出了加電方式）；（d）圖（b）中紅色虛線區域II的顯微圖，即聲場分選模塊的通道以及電極（指出了加電方式）。

研究人員首先通過分選5 μm和8 μm PS微球來驗證這種集成式微流控芯片的功能（圖3），然后通過改變BPE的電壓來精確調整粒子束以實現更高的分選性能（圖4）。為了驗證對細胞的有效性，研究人員還對THP-1細胞和酵母細胞進行了集成的無鞘流電場聚焦、偏移和聲學分選，獲得了比有鞘流聲學分選更好的性能（圖5）。

圖3 懸浮電極BPE ii未加電時，對8 μm 與5 μm PS微球的電場聚焦和聲場分選。



圖4 懸浮電極BPE ii接地時，對8 μm與5 μm PS微球的電場聚焦偏移和聲場分選。



圖5 對THP-1細胞與酵母菌的電場聚焦和聲場分選：（a）THP-1細胞和酵母菌的CM因子實部比較；（b）不同頻率（30 kHz ~ 40 MHz）下THP-1細胞和酵母菌在懸浮電極表面的平均DEP速度與ICEO流速的比較；（c-f）聚焦分選實驗效果及統計分析。

綜上所述，研究人員提出了一種用于聚焦、偏移和分選細胞的無鞘流且穩定的微流控方法。這種方法減少了使用的泵的數量和系統的體積，同時降低了成本，進一步為以非接觸、生物相容和無標簽的方式進行無鞘流細胞分選提供了一種新的獨特途徑，在生物研究和疾病診斷中顯示出巨大的潛力。

審核編輯：劉清